DE4015056C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Kompensation von unerwünschten Seitenbändern bei magnetischen
Kernresonanzspektren.
Zur Aufnahme von hochaufgelösten Spektren bei der Kernresonanz
spektrometrie (nachfolgend NMR-Spektrometrie genannt) wird die
zu messende Probe im Gleichmagnetfeld einer Rotationsbewegung
unterworfen, um bestimmte Anteile der Inhomogenitäten des
Gleichmagnetfeldes auszumitteln und dadurch eine bessere Auf
lösung der Spektrallinien zu erreichen. Bedingt durch diese
Rotationsbewegung werden jedoch im Spektrum unerwünschte Sei
tenbänder, die sogenannten Rotationsseitenbänder erzeugt. Diese
erscheinen auf beiden Seiten der jeweiligen realen NMR-Spek
trallinie in Abständen von Vielfachen der Frequenz der Rota
tionsbewegung.
Die Entstehung dieser Rotationsseitenbänder hat im wesentlichen
drei Ursachen:
- - die Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes B0 inner halb des aktiven Probenvolumens, die sogenannten B0-In homogenitäten, welche zusammen mit einer Rotationsbewegung der Probe zu einer Modulation der Präzessionsfrequenz der Kerne führt. B0 - Inhomogenitäten können durch den feld erzeugenden Magneten selbst, aber auch durch ferro-, dia- oder paramagnetische Materialien in der Umgebung der Probe verursacht werden;
- - die Inhomogenitäten des Hochfrequenzfeldes B1, die soge nannten B1-Inhomogenitäten, die von der Sende- und Empfangsspule innerhalb des aktiven Probenvolumens während der Sendephase erzeugt werden und während der Empfangsphase das in die Empfangsspule induzierte Kernsignal mit beeinflussen; und
- - die nicht-ideale Rotationsbewegung der Probe, die zum einen durch eine verschobene und/oder gegenüber der Rotationsach se verdrehte Symmetrieachse der Probe und andererseits dadurch, daß die Probenküvette keine idealen rotationssym metrischen Abmessungen hat, verursacht werden kann. Beide Ursachen haben zur Folge, daß sich im wesentlichen die Streukapazität zwischen Probe und Hochfrequenzempfangsspule periodisch mit der Rotationsfrequenz ändert. Da diese Streukapazität mit zur bereits sehr kleinen Kapazität des Empfangsschwingkreises gezählt werden muß, entsteht dadurch eine periodische Verstimmung des Schwingkreises und damit eine Phasenmodulation des Kernsignales. Außerdem kann diese nicht-ideale Rotationsbewegung bei einer Probe, die Hoch frequenzverluste verursacht, zu einer periodischen Änderung der Dämpfung des Empfangsschwingkreises und damit auch zu einer Amplitudenmodulation des Kernsignales führen. Diese Phasen- und Amplitudenmodulation, die durch die nicht ideale Rotationsbewegung der Probe hervorgerufen wird, nennt man Q-Modulation. Diese ist besonders bei hohen Frequenzen oberhalb 400 MHz störend, wo der Empfangs schwingkreis nur einen sehr kleinen Kapazitätswert aufweist und deshalb Einflüsse von Störkapazitäten eine große Rolle spielen.
Zum besseren Verständnis werden anhand der Fig. 1 und 2 das
Phänomen und die Ursachen der Rotationsseitenbänder erläutert.
Die Fig. 1a zeigt einen typischen Verlauf des Hauptbandes A mit
den zugehörigen Rotationsseitenbändern B, B′ und C, C′ einer Spektrallinie.
Die Rotationsseitenbänder lassen sich entsprechend den drei
oben beschriebenen Ursachen in ihre jeweiligen Komponenten
zerlegen.
Die Fig. 1b stellt die Komponenten, die durch die B-0-Inhomo
genitäten verursacht werden, dar. Die Seitenbänder liegen sym
metrisch zum Hauptband A und haben die gleiche Phase wie das
Hauptband. Dieser experimentelle Befund wird in einem Fachar
tikel in der Zeitschrift "Journal of Magnetic Resonance 82",
Seiten 427-433 von H. Levitt theoretisch bestätigt.
Die Fig. 1c zeigt die Komponenten, die durch die obengenannten
B-1-Inhomogenitäten verursacht werden. Gemäß dem experimentellen
Befund sind die Seitenbänder asymmetrisch zum Hauptband A, liegen
meistens aufgrund der Geometrie der Empfangsspule um Vielfache
der doppelten Rotationsfrequenz ωm vom Hauptband A entfernt und
haben ebenfalls die gleiche Phase wie das Hauptband A.
Die Fig. 1d zeigt die durch die Q-Modulation verursachten Sei
tenbandkomponenten. Die Seitenbandkomponenten sind antisymme
trisch zum Hauptband und können eine beliebige Phase zum Haupt
band besitzen. Die Antisymmetrie ist eine Folge der hauptsäch
lich kapazitiven periodischen Verstimmung des Empfangsschwing
kreises, welche hauptsächlich eine Phasenmodulation des Kern
signales zur Folge hat.
Die Fig. 2 zeigt, wie aus einer periodischen Verstimmung Δω0T des
Empfangsschwingkreises eine Amplitudenmodulation AM und Phasenmodulation ΦM
des Kernsignales K entsteht. Da die Modulationsfrequenz klein
gegenüber der Bandbreite des Schwingkreises ist, kann eine
quasi stationäre Betrachtungsweise, wie sie in Fig. 2 darge
stellt ist, verwendet werden. Man erhält eine Amplitudenmodu
lation α(t) mit der doppelten Modulationsfrequenz, die aber bei
kleinem Modulationshub vernachlässigt werden kann (Fig. 2a).
Störender ist die in Fig. 2b gezeigte Phasen
modulation ϕ(t) die mit der einfachen Modulationsfrequenz auftritt.
Im Stand der Technik hat man zur Verringerung der unerwünschten
Rotationsseitenbänder verschiedene apparative Maßnahmen vorge
schlagen, die die Ursache der Rotationsseitenbänder am Ort
ihrer Entstehung vermeiden sollen.
Zu diesen bekannten Maßnahmen gehört die Verbesserung der Ho
mogenität des statischen Magnetfeldes B0, beispielsweise durch
umfangreiche und genaue Korrekturspulen (Shimspulen-Systeme).
Diese Korrektursysteme können jedoch die Inhomogenitäten des
statischen Magnetfeldes, die von der magnetischen Suszeptibi
lität der Hochfrequenzempfangsspule herrühren, nicht zufrieden
stellend kompensieren. Dies kann nur durch spezielle Material
wahl für die Hochfrequenzempfangsspule mit verschwindend kleinen
Suszeptibilitätswerten erreicht werden.
Zur Verbesserung der B1-Homogenität wurde im Stand der Technik
vorgeschlagen, die Geometrie der Hochfrequenzempfangsspule auf
beste Feldhomogenität zu optimieren.
Das Problem der Q-Modulation ließ sich jedoch mit solchen Maß
nahmen nicht beseitigen. Durch die im Laufe der Zeit anwachsen
den Feldstärken des statischen Magnetfeldes bei der magnetischen
Kernresonanzspektrometrie wuchsen auch die durch die nicht
ideale Rotationsbewegung der Probe hervorgerufenen unerwünschten
Seitenbandkomponenten (Q-Modulation). Die durch die Q-Modulation
hervorgerufenen unerwünschten Seitenbänder ließen sich nur
durch Verbesserung der mechanischen Präzision der die Rotations
bewegung beeinflussenden Teile (Probenküvette, Läufer, Lufttur
bine) minimieren. Hier gelangte man jedoch an die Grenze der
erreichbaren Präzision.
Aus "Journal of Magnetic Resonance 80", Seiten 547-552 (1988)
ist ein Verfahren zur nachträglichen Kompensation von Gerätefeh
lern durch Entfaltung (Deconvolution) unter Verwendung eines
internen Bezugssignales beschrieben. Mittels digitaler Filter
wird ein Bezugssignal extrahiert, mit dem ein idealisiertes
Spektrum durch die genannte Entfaltungstechnik erzeugt wird.
Die in diesem Fachartikel vorgeschlagenen Maßnahmen lassen
sich auch zur nachträglichen Eliminierung von Rotations-
Seitenbändern verwenden.
Mit den im Stand der Technik vorgeschlagenen apparativen Maß
nahmen zur Verringerung der Rotationsseitenbänder erreicht man
relativ leicht Seitenbandintensitäten von etwa 10% der
Hauptband-Intensität, aber es ist oft sehr schwierig, diesen
Wert noch weiter auf die gewünschte Größe von kleiner als 1%
zu bringen. Dies gilt ganz besonders für die durch die
Q-Modulation hervorgerufenen Seitenbandkomponenten.
Man kann jedoch davon ausgehen, daß die im Stand der Technik
erreichten Seitenbandintensitäten bereits klein gegenüber den
Hauptbandintensitäten sind.
Aus der DE-AS 28 16 225, insbesondere Anspruch 1, Fig. 3 und
Beschreibungsspalte 2, Zeile 25 bis 64 ist ein Verfahren und
eine Vorrichtung bekannt, die die Seitenbänder eines Kernresonanzspektrums,
die durch die Rotation der Probe des Kernresonanzspektrometers
hervorgerufen werden, über einen bestimmten
Frequenzbereich verschmiert. Dadurch entsteht anstatt einer
scharfen Seitenbandkomponente mit großer Amplitude eine breite
Komponente mit kleiner Amplitude. Das Integral der Seitenbandkomponente
ist aber jeweils gleich groß. Somit führt das bekannte
Verfahren keine Kompensation der Rotationsseitenbänder
durch; die Seitenbänder werden nicht eliminiert sondern erscheinen
als breite gezogener Hügel.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Kompensation von unerwünschten Seitenbändern
bei magnetischen Kernresonanzspektren zu ermöglichen, mit
welchen, ausgehend von den mit den im Stand der Technik vorge
schlagenen apparativen Maßnahmen erzielten Intensitäten der
Rotationsseitenbänder, diese Seitenbänder noch weiter reduziert
werden können.
Die obige Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Kompensation
von mindestens einer Art von NMR-Seitenbändern (H0-, H1-,
Q-Modulationsseitenbänder), die durch Rotation der Probe eines
magnetischen Kernresonanzspektrometers hervorgerufen werden,
erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
- - Erfassen der Rotationsfrequenz und Phase der Probenrotation;
- - Modulation der Amplitude und Phase des detektierten Kernsignals, wobei die Modulationssignale aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sind,
wobei
im Falle der Q-Modulationskompensation die Modulationssignale phasenstarr mit der Probenrotation synchronisiert sind, und im Falle der H0- und H1-Seitenbandkompensation die Frequenzen der Modulationskomponenten gleich der Rotationsfrequenz der Probe und ganzzahlige Vielfache davon sind, die Phasen dieser Komponenten je in einem festen Verhältnis zur Phase der Proben rotation stehen und der Start des Senderpulses oder der Puls sequenz zur Anregung des Kernsignals phasensynchron mit dem Modulationssignal ist.
im Falle der Q-Modulationskompensation die Modulationssignale phasenstarr mit der Probenrotation synchronisiert sind, und im Falle der H0- und H1-Seitenbandkompensation die Frequenzen der Modulationskomponenten gleich der Rotationsfrequenz der Probe und ganzzahlige Vielfache davon sind, die Phasen dieser Komponenten je in einem festen Verhältnis zur Phase der Proben rotation stehen und der Start des Senderpulses oder der Puls sequenz zur Anregung des Kernsignals phasensynchron mit dem Modulationssignal ist.
Vorteilhafterweise wird dieses Verfahren dadurch ausgestaltet,
daß für den Modulationsschritt die Amplitude und die Phase der
einzelnen Frequenzkomponenten getrennt eingestellt, die so
eingestellten Frequenzkomponenten addiert und der Amplituden-
und Phasenmodulation zugeführt werden.
Alternativ dazu können vorteilhafterweise für den Modulations
schritt vorab mehrere Kosinus- und Sinussignale mit Frequenzen
gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Rotationsfrequenz der
Probe erzeugt, deren Amplituden auf die jeweiligen zur Kompen
sation erforderlichen Amplituden gesetzt, und die so erzeugten
und amplitudengerichteten Kosinus- und Sinussignale addiert
und der Amplituden- und Phasenmodulation zugeführt werden.
Die Modulationssignale können auch in einem digitalen Frequenz
generator durch Vorgabe der entsprechenden Koeffizienten erzeugt
werden.
Die obige Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Kompen
sation von Seitenbändern (Q-Modulation), die in einem gepulsten
magnetischen Kernresonanzspektrometer durch eine nicht-ideale
Rotationsbewegung der Probe hervorgerufen werden, erfindungs
gemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
- - Erfassen der Rotationsfrequenz und der Phase der Proben rotation;
- - Erfassen der Anzahl und der zu kompensierenden Frequenzen der unerwünschten Seitenbandkomponenten; und
- - Summieren mehrerer jeweils um bestimmte Phasenwinkel ge geneinander phasenverschobener, aus mehreren Pulsanregungen stammender Kernsignale, wobei zur Eliminierung von N Sei tenbandkomponenten die Summe von 2N Kernsignalen mit Phasenverschiebungen von (n = 0, 1, 2, 3, . . ., 2N-1)erforderlich ist.
Erfindungsgemäß kann eines oder mehrere der die obige Aufgabe
lösenden Verfahren zum Erzielen von Kernresonanzspektren, die
weitgehend frei von Seitenbändern sind, verwendet werden, wobei
in einem Rechner die Amplituden- und Phasenmodulation durch
Multiplikation des dem Spektrum entsprechenden komplexen
Zeitsignals mit einem komplexen Faktor durchgeführt
wird, wobei A(t) die Zeitfunktion der Amplitudenmodulation und
Φ(t) die Zeitfunktion der Phasenmodulation sind.
Eine die obige Aufgabe lösende Vorrichtung zur Kompensation
von mindestens einer Art von NMR-Seitenbandern (H0-, H1-,
Q-Modulations-Seitenbänder), die durch Rotation der Probe eines
magnetischen Kernresonanzspektrometers hervorgerufen werden,
ist mit
- - einer Sende- und Empfangsspule, die im Gleich-Magnetfeld, die rotierende Probe umgreifend, angeordnet ist, von einem Probenkopf ein Hochfrequenzsignal empfängt und dieses auf die Probe einstrahlt sowie das daraufhin von der Probe emittierte Kernsignal empfängt und zum Probenkopf überträgt; und
- - einer Signalerzeugungs- und -Auswerteeinrichtung, die das dem Probenkopf zuzuführende Hochfrequenzsignal erzeugt und aus dem vom Probenkopf empfangenen Kernsignal das Spektrum erzeugt,
ausgestattet und
ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch
ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch
- - eine Detektoranordnung zur Erfassung von Frequenz und Phase der Rotationsbewegung der Probe,
- - einen Kompensationsgenerator, der Signale entsprechend der von der Detektoranordnung erfaßten Frequenz und Phase der Rotationsbewegung der Probe empfängt und in Abhängigkeit von diesen Signalen Amplituden- und Phasenmodulationssignale zur Modulation der Amplitude und Phase des von der Probe abgegebenen und vom Pro benkopf detektierten Kernsignals erzeugt, wobei die Modulationssignale aus mehreren Komponenten zusammen gesetzt sind,
- - einen Amplitudenmodulator, der das erfaßte Kernsignal mit dem vom Kompensationsgenerator erzeugten Modu lationssignal amplitudenmoduliert,
- - einen Phasenmodulator, der das erfaßte Kernsignal mit dem vom Kompensationsgenerator erzeugten Modu lationssignal phasenmoduliert,
wobei
- - im Falle der Q-Modulationskompensation die Modulations signale phasenstarr mit der Probenrotation synchronisiert sind, und
- - im Falle der H0- und H1-Seitenbandkompensation die Frequen zen der Modulationskomponenten gleich der Rotationsfrequenz der Probe und ganzzahlige Vielfache davon sind, die Phasen dieser Komponenten je in einem festen Verhältnis zur Phase der Probenrotation stehen und der Start des Senderpulses oder der Pulssequenz zur Anregung des Kernsignals phasen synchron mit dem Modulationssignal ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Kompensations
generator auf:
- - jeweils für jedes zu kompensierende Seitenbandpaar zwei kontinuierlich und getrennt einstellbare Phasenschieber und zwei getrennt einstellbare Dämpfungsglieder, jeweils zur getrennten Einstellung von Phase und Amplitude der dem Phasen- und Amplitudenmodulator zuzuführenden Signale.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kompensations
generator auf:
- - für jedes zu kompensierende Seitenbandpaar jeweils einen
Oszillatormodul zur Erzeugung von Kosinus- und Sinus
signalen mit Frequenzen gleich einem ganzzahligen Viel
fachen einschließlich der einfachen Rotationsfrequenz der
Probe, wobei jeder Oszillatormodul kontinuierlich einstell
bare Dämpfungsglieder zur Einstellung der erforderlichen
Amplitude jedes Sinus- und Kosinussignales,
einen festen 90°-Phasenschieber, der aus den Sinussignalen die Kosinussignale ableitet und für jedes Dämpfungsglied einen Polaritätsumschalter aufweist, und - - Additionsglieder zur Addition jeweils der von den Polaritätsumschaltern abgegebenen Sinus- und Kosinus signale, wobei die Ausgangssignale der Additionsglieder jeweils dem Amplituden- und Phasenmodulator zugeführt werden.
Der Kompensationsgenerator kann auch ein digitaler Frequenzge
nerator sein, der die Modulationssignale für die Amplituden-
und Phasenmodulation durch Vorgabe der entsprechenden Koeffi
zienten erzeugt.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung
gestatten es vorteilhafterweise, die Amplitude und Phase der
Rotationsseitenbänder einzeln auf gewünschte Werte einzustellen,
so daß ohne Schwierigkeiten Intensitäten der Rotationsseiten
bandkomponenten von unter 1% der Hauptband-Intensität erreicht
werden können.
Die Erfindung wird im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 3 Diagramme, die den Einfluß einer Amplituden- und
Phasenmodulation des Kernsignales auf das Frequenz
spektrum erläutern;
Fig. 4 Diagramme, die eine erste Art zur Erzeugung der Sig
nale für die Amplituden- und Phasenmodulation erläu
tern;
Fig. 5 Diagramme, die eine zweite Art der Erzeugung der
Signale für die Amplituden- und Phasenmodulation
erläutern;
Fig. 6 Diagramme, die die Kompensation der Grundfrequenz
der Q-Modulation erläutern;
Fig. 7 eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur
Kompensation der Rotationsseitenbänder; und
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Ausführungsart des in Fig.
7 gezeigten Kompensationsgenerators.
Bevor nun das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung
zur Kompensation von unerwünschten Seitenbändern bei magne
tischen Kernresonanzspektren beschrieben wird, sollen das Prin
zip der Modulation des empfangenen Kernsignales und der Einfluß
der Amplituden- und Phasenmodulation des Kernsignales auf das
Spektrum anhand der Fig. 3 beschrieben werden.
Das Kernsignal ohne Rotationsseitenbänder, wie es vom Empfangs
schwingkreis geliefert wird, läßt sich durch
ausdrücken.
Dieses Signal soll sowohl einer Amplitudenmodulation AM wie auch einer
Phasenmodulation ΦM unterworfen werden.
Für die Amplitudenmodulation gilt:
a(t) = 1 + Δa(t) = 1 + Δa cos (ωmt + ϕ₁) (2)
Für die Phasenmodulation ΦM gilt:
Δϕ(t) = Δϕ sin (ωmt + ϕ₂) (3)
Das modulierte Kernsignal ergibt sich zu:
Wenn man kleine Modulationshübe benutzt, d.h.
wenn |Δϕ(t)|²«1, dann gilt
wenn |Δϕ(t)|²«1, dann gilt
wenn zusätzlich |Δa(t)·Δϕ(t)|«1, dann gilt:
Im Empfänger wird dieses Signal auf eine Zwischenfrequenz ab
wärtsgemischt und dort einer Quadraturdetektion zugeführt. Es
entstehen zwei niederfrequente Signale yA(t) und yB(t), die
orthogonal zueinander liegen, und Frequenzen um ωs besitzen:
Betrachtet man yA(t) als den Realteil und yB(t) als den Ima
ginärteil eines komplexen Zeitsignals ₃(t), und beachtet
man ferner die Beziehung
cos α + j sin α =
dann erhält man:
Im Rechner wird eine Fouriertransformation an dieser komplexen
Funktion ausgeführt, wobei das komplexe Signal ₃(ω) im Fre
quenzbereich entsteht:
wobei a(ω) das Absorptionssignal und d(ω) das Dispersionssignal
bedeuten:
Die Indizes 0, +1 und -1 von a(ω) und d(ω) in Gleichung (5)
bedeuten jeweils
ωR = ωs, ωR = ωs+ωm bzw. ωR = ωs-ωm.
Im Rechner wird die HF-Phase ϕ₀ dadurch kompensiert, daß ₃(ω) mit
komplex multipliziert wird. Es entsteht das phasenkorri
gierte Signal ₄(ω):
Der Realteil von ₄(ω) sieht wie folgt aus:
Dieser Realteil ist in Fig. 3 für die Fälle ϕ₁, ϕ₂=0°,
90°, 180° aufgezeichnet.
Bei gleichzeitiger Amplituden- und Phasenmodulation sind die
beiden Seitenbänder wie folgt gegeben:
Das obere Seitenband (OSB):
und
Das untere Seitenband (USB):
wobei die Koeffizienten:
sind.
Diese Bezeichnungen und die in Fig. 3 dargestellten Diagramme
zeigen, daß unter der Voraussetzung eines kleinen Modulations
grades sowohl bei der Amplituden- als auch bei der Phasenmodu
lation eine Modulation mit einer konstanten Modulationsfrequenz
jeweils nur zu zwei Seitenbändern führt, die erstens klein
gegenüber dem Hauptband sind und zweitens im Falle der Amplitudenmodulation
symmetrisch und im Falle der Phasenmodulation
antisymmetrisch zum Hauptband liegen.
Mit diesen Modulationsseitenbändern können aber nur dann genaue
Kompensationen der Rotationsseitenbänder erreicht werden, wenn
letztere ebenfalls klein gegenüber dem Hauptband sind (z. B.
weniger als 10% betragen). Diese Voraussetzung ist aber mit
den bekannten Mitteln des heutigen Standes der Technik
erfüllbar.
An dieser Stelle sei bemerkt, daß ein sinusförmig phasenmoduliertes
Signal theoretisch ein unendlich breites Frequenzspektrum
liefert. Im Falle von kleinen Phasenhüben von Δϕ, d. h.
wenn (Δϕ)² viel kleiner als 1 ist, reduziert sich jedoch das
Spektrum auf nur zwei Seitenbänder zusammen mit einem dominanten
Hauptband. Alle übrigen Seitenbänder sind theoretisch immer
noch vorhanden, jedoch in ihrer Intensität so klein, daß sie
vernachlässigt werden können.
Es ist leicht zu zeigen, daß mit der erfindungsgemäß vorgeschla
genen Amplituden- und Phasenmodulation des Kernsignales die
Amplitude und Phase der beiden Seitenbänder einzeln auf belie
bige Werte eingestellt werden können. Betrachtet man nämlich
das oben angeführte Gleichungssystem (11), so stellen dessen
Gleichungen ein lineares System mit den vier unbekannten
Δα, Δϕ, ϕ₁, ϕ₂ und vier bekannten Großen Co1, Co2, Cu1, Cu2
dar, wobei letztere vier die gewünschten Amplituden der absorp
tiven und dispersiven Anteile des oberen und unteren Seitenban
des sind. Dieses Gleichungssystem ist lösbar.
Die vorherigen mathematischen Ableitungen und Schlußfolgerungen
gelten für den Fall kleiner Phasenänderungen der Phasenmodula
tion. Die Resultate führen zu einfachen Kompensationsverfahren,
indem jedes einzelne Seitenbandpaar für sich kompensiert werden
kann, ohne dabei die anderen zu beeinflussen. Dieses Kompensa
tionsverfahren ist aber nur dann anwendbar, wenn die zu kompen
sierenden Rotationsseitenbänder ebenfalls klein gegenüber dem
Hauptband sind. Es ist jedoch wichtig festzuhalten, daß bei
großen Rotationsseitenbändern eine Kompensation mit dem erfin
dungsgemäßen Verfahren immer noch möglich ist, allerdings sehr
viel mühsamer, weil die einzelnen Seitenbandpaare nicht mehr
unabhängig voneinander kompensiert werden können.
Wie bereits anhand der Fig. 1 ausgeführt wurde, besitzen die
Rotationsseitenbänder, die durch B0- und B1-Inhomogenitäten
verursacht werden, die gleiche oder entgegengesetzt gleiche
Phase wie das Hauptband, d. h. sie weisen eine starre Phasen
beziehung zum Hauptband auf, die unabhängig von der Phase der
Rotationsbewegung ist. Diese Eigenschaft muß auch auf die
Modulationsseitenbänder übertragen werden, indem der Start des
Senderpulses zur Anregung des Kernsignals phasensynchron zum
Modulationssignal erfolgt.
Die Rotationsseitenbänder, die durch die Q-Modulation verursacht
werden, besitzen eine beliebig verschiedene Phase zum Hauptband
und brauchen deshalb nicht unbedingt die oben beschriebene
Phasensynchronität. Es ist aber die Phase dieser Seitenbänder
direkt mit der Rotation der Probe korreliert, und deshalb muß
hier das Modulationssignal zur Kompensation der Seitenbänder
unbedingt phasensynchron zur Probenrotation sein. Will man
außerdem, daß das NMR-Spektrum samt Seitenbändern nach jeder
Pulsanregung gleich bleibt, was den Kompensationsvorgang stark
erleichtern würde, dann allerdings ist hier zusätzlich auch
noch eine Phasensynchronität zwischen dem Start des Anregungs
pulses und der Rotationsfrequenz erforderlich.
Anhand der Fig. 4 wird ein vorteilhaftes Verfahren zur Erzeugung
der Amplituden- und Phasenmodulationssignale beschrieben.
Die Amplitude und die Phase der einzelnen Frequenzkomponenten
werden separat eingestellt. Die einzelnen Frequenzkomponenten
werden addiert und jeweils einem Amplituden- und Phasenmodulator
zugeführt. Das Kernsignal wird jeweils durch die diesen Modu
latoren zugeführten Amplitudenmodulationssignale α(t) und Phasenmodulationssignale ϕ(t)
amplituden- und phasenmoduliert. Fig. 4 zeigt deutlich die
notwendige Synchronisierung der Phasenlage der einzelnen Fre
quenzkomponenten mit dem Startpunkt t₀ der Signalerfassung.
Zur Realisierung sind pro Seitenbandpaar jeweils zwei konti
nuierlich einstellbare Phasenschieber und zwei einstellbare
Dämpfungsglieder (Attenuatoren) erforderlich. Um Seitenbänder
bis zur dritten Ordnung kompensieren zu können, sind also sechs
kontinuierlich einstellbare Phasenschieber und für die Amplitu
deneinstellung sechs einstellbare Dämpfungsglieder erforderlich.
In Fig. 5 ist ein bevorzugtes Verfahren, das alternativ zum
obigen Verfahren einsetzbar ist, zur Erzeugung der Signale für
die Amplituden- und Phasenmodulation veranschaulicht. Dieses
Verfahren kommt ohne kontinuierlich einstellbare Phasenschieber
aus. Vorab werden Kosinus- und Sinussignale der Frequenzen ωm,
2ωm, 3ωm, . . . erzeugt, mit einstellbaren Dämpfungsgliedern
(Attenuatoren) auf die erforderliche Amplitude eingestellt,
addiert und dem Phasen- und Amplitudenmodulator zugeführt.
Wenn das Hauptband in Absorption ist, erzeugen Kosinussignale
im Amplitudenmodulator symmetrische Absorptionsseitenbänder und
im Phasenmodulator antisymmetrische Dispersionsseitenbänder.
Umgekehrt erzeugen Sinussignale im Amplitudenmodulator symme
trische Dispersionsseitenbänder und im Phasenmodulator antisym
metrische Absorptionsseitenbänder. Dieser Sachverhalt geht aus
der oben angeführten Ableitung der Modulation des Kernsignales
und der Darstellung in Fig. 3 hervor. Es können also sowohl
symmetrische als auch antisymmetrische Absorptions- und Disper
sionsseitenbänder erzeugt werden. Damit lassen sich beliebige
Phasen und Amplituden für die oberen und unteren Seitenbänder
erreichen.
In Fig. 8 ist eine Ausführungsform eines Kompensationsgenerators
gezeigt, der die Modulationssignale gemäß dem zuletzt geschil
derten Verfahren erzeugt. Dieses Ausführungsbeispiel ist zur
Kompensation von Seitenbändern bis zur dritten Ordnung vorge
sehen. Der dargestellte Kompensationsgenerator 18 weist drei
phasenstarre Oszillatoren 21, 22 und 23 zur Erzeugung der Grund
frequenzen ωm, 2ωm und 3ωm auf. Diese Grundfrequenzen werden
von der zugeführten Rotationsfrequenz ωm abgeleitet und sind
mit dieser Frequenz synchronisiert. Die Grundfrequenzen ωm,
2ωm und 3ωm werden jeweils einem Signalgeneratormodul 31, 32 und
33 zugeführt. Der Aufbau dieser drei Signalgeneratormodule ist
prinzipiell derselbe, so daß nur ein Signalgeneratormodul 31
im Detail dargestellt ist. Jeder Signalgeneratormodul weist
einen 90° Phasenschieber 35 und vier einstellbare Dämpfungs
glieder 34 1, 34 2, 34 3 und 34 4 auf, die die Signale sin ωmt und
cos ωmt mit der erforderlichen Amplitude abhängig von ihnen jeweils zugeführten
Einstellsignalen S₁ bis S₄ erzeugen. Die so in
ihrer Amplitude und Phasenlage festgelegten Signale sin ωm·t
und cos ωm·t werden jeweils Polaritätsumschaltern 36 und 37
zugeführt, die je nach ihrem von einem Stellsignal P₁ eingestellten Schaltzustand die Sinus- und
Kosinussignale sowohl für symmetrisch als auch antisymmetrische
Absorptions- und Dispersionsseitenbänder erzeugen. Schließlich
werden die Sinus- und Kosinussignale der einzelnen Frequenzen
ωm, 2ωm, 3ωm in Summiergliedern 40 und 41 summiert. Die Aus
gangssignale 43 und 44 jeweils der Summierglieder 40 und 41
werden zum Phasenmodulator und zum Amplitudenmodulator geleitet.
Zur Synchronisation des Starts der Signalerfassung im Rechner
wird das Signal ωm, das dem Kompensationsgenerator eingegeben
wird, über ein Verstärkerglied 42 dem Rechner als das Signal
45 zugeführt.
Die obige Beschreibung der in Fig. 8 gezeigten Anordnung macht
deutlich, daß man ohne kontinuierlich einstellbare Phasenschie
ber auskommt. Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung ermöglicht
die Erzeugung sowohl von symmetrischen als auch antisymmetri
schen Absorptions- und Dispersionsseitenbändern. Damit lassen
sich beliebige Phasen und Amplituden für die oberen und unteren
Seitenbänder erreichen. Zur Kompensation von Seitenbändern bis
zur dritten Ordnung benötigt man drei feste 90° Phasenschieber
zur Erzeugung der drei Sinus- und der drei entsprechenden Ko
sinusfunktionen. Ferner werden pro Modulationsfrequenz vier
einstellbare Dämpfungsglieder, insgesamt zwölf Dämpfungsglieder
und schließlich pro Dämpfungsglied noch ein Polaritätsumschalter
benötigt. Der Vorteil des zweiten Verfahrens, das mit der Schal
tung in Fig. 8 realisiert wird, besteht darin, daß keine kon
tinuierlichen Phasenschieber nötig sind.
Selbstverständlich kann das Modulationssignal auch digital in
einem Frequenzgenerator durch Vorgabe der entsprechenden Koef
fizienten der Modulationssignale gemäß dem obigen Gleichungs
system 11 erzeugt werden.
Das Zeitdiagramm in Fig. 6 zeigt ein weiteres Verfahren zur Kompensation der Sei
tenbänder, die durch die Q-Modulation verursacht werden, dar
gestellt. Die mittlere Zeile stellt die von einem Lichtfühler 12
gemäß Fig. 7 ausgesendeten Impulse 19
entsprechend der Rotation der Probe dar. Das in Fig. 6 dargestellte Verfahren setzt voraus,
daß Kernsignale durch Summieren mehrerer Pulsanregungen erzeugt
werden. Fig. 6 zeigt deutlich, daß die Startzeiten der zwei
dargestellten Kernsignale K₁ und K₂ unterschiedliche Phasen relativ zum
Modulationssignal ϕ(t) besitzen. Der Start des zweiten Kernsignales,
wenn man diesen mit der Phasenmodulationsspannung vergleicht,
ist genau um 180° phasenverschoben. Nach Aufsummieren der beiden
Kernsignale ergibt sich eine Phasenmodulation, die Null ist,
da sich die Phasenmodulation durch die Summation der Modula
tionsspannungen des ersten und zweiten Kernsignales genau auf
hebt.
Das anhand der Fig. 6 erläuterte Verfahren erlaubt jedoch nur
die Kompensation der durch die Q-Modulation bewirkten Seiten
bänder mit den Frequenzkomponenten ωm. Wenn die Q-Modulation
außer der Frequenzkomponenten ωm auch höhere Komponenten 2ωm,
3ωm etc. besitzt, müssen mehr als zwei Kernsignale mit Start
zeiten, die ebenfalls unterschiedliche Phasenverschiebungen
gegenüber der Modulationsspannung aufweisen müssen, summiert
werden.
Wenn z. B. die Komponenten ωm und 2ωm zugleich eliminiert
werden sollen, müssen vier Kernsignale summiert werden, die
jeweils um n·90° (n=0, 1, 2, 3) gegenüber der Grundfrequenz-
Komponenten der Modulationsspannung phasenverschoben angeregt
werden müssen.
Genauer müssen die vier Kernsignale gegenüber der Grundfrequenz-
Komponenten der Q-Modulation jeweils um 90° phasenverschoben
angeregt werden:
Die Modulationsspannungen mA(t), mB(t), mC(t) und mD(t)
der vier Kernsignale sind somit gegeben durch:
mA(t) = a₁sin(ωmt+β₁) + a₂sin(2ωmt+β₂)
mB(t) = a₁sin[ωm(t-Δt)+β₁] + a₂sin[2ωm(t-Δt)+β₂]
mC(t) = a₁sin[ωm(t-2Δt)+β₁] + a₂sin[2ωm(t-2Δt)+β₂]
mD(t) = a₁sin[ωm(t-3Δt)+β₁] + a₂sin[2ωm(t-3Δt)+β₂]
wird in die obigen Gleichungen eingesetzt.
Daraus ergibt sich:
mA(t) = a₁sin(ωmt+β₁) + a₂sin(2ωmt+β₂)
mB(t) = a₁cos(ωmt+β₁) - a₂sin(2ωmt+β₂)
mC(t) = a₁sin(ωmt+β₁) + a₂sin(2ωmt+β₂)
mD(t) = a₁cos(ωmt+β₁) - a₂sin(2ωmt+β₂)
Das Kernsignal, das aus der Summenbildung der vier ursprüng
lichen Kernsignale entsteht, ist mit einem Signal moduliert,
das aus der Summe der vier einzelnen Modulationen entsteht:
mA(t) + mB(t) + mC(t) + mD(t) = 0
Diese Summe ist Null, und damit ist gezeigt, daß dieses Verfah
ren die Kompensation der Modulationskomponenten ωm und 2ωm
tatsächlich erlaubt.
Die Eliminierung von drei Komponenten, nämlich ωm, 2ωm und 3ωm
erfordert die Summe von sechs Kernsignalen, die um n·60°
(n=0, 1, 2, 3, 4, 5) phasenverschoben angeregt werden müssen.
Allgemein erfordert die Eliminierung von N Komponenten die
Summe von 2N Kernsignalen mit jeweiligen Phasenverschiebungen
von n·360°/2N (n=0, 1, 2, . . . , 2N-1).
Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren zur Kompensation der
durch die Q-Modulation hervorgerufenen Seitenbänder benötigt
man eine hohe Stabilität der Rotationsfrequenz, die umso höher
sein muß, je höher die Anzahl der aufsummierten Kernsignale
liegt. Dieses Verfahren versagt bei der Kompensation der durch
die B0- oder B1-Inhomogenitäten verursachten Rotationsseiten
bänder. Bei diesen Seitenbändern besteht nämlich eine feste
Phasenbeziehung zum Hauptband, die unabhängig von der Phase
der Rotation ist.
Die Fig. 7 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine bevorzugte
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kompen
sation von unerwünschten Seitenbändern bei magnetischen Kern
resonanzspektren. Im einzelnen sind in Fig. 7 gezeigt:
Eine Probe 10, die mittels einer Luftturbine 11 in einem sta
tischen Magnetfeld B0 rotiert. Der Läufer der Luftturbine 11
trägt optische Markierungen, die zur Erfassung der Frequenz
und Phase der Rotation der Probe mit Hilfe eines vom Lichtfühler
12 ausgesendeten Lichtstrahles dienen. Die Probenküvette ist von
einer Sende- und Empfangsspule 6 umgeben, die mit einem Proben
kopfnetzwerk 7 verbunden ist. Das Probenkopfnetzwerk 7 erhält
von einer Frequenzaufbereitungseinrichtung 17, die von einem
quarzstabilisierten Basisoszillator 1 angesteuert wird, das
Hochfrequenz-Sendesignal 4. Dieses wird über ein Verstärkungs
glied 5 dem Probenkopfnetzwerk 7 zugeführt. Das vom Probenkopf
netzwerk 7 empfangene Kernresonanzsignal wird über einen Vorver
stärker 8 einem Amplitudenmodulator 13 zugeführt, mit dem die
Amplitudenmodulation gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren durch
geführt wird. Das so amplitudenmodulierte Kernsignal wird einem
Überlagerungsempfänger 9 mit Quadraturdetektion zugeführt. Ein
Kompensationsgenerator 18 erhält von einem Lichtempfänger 12
Signale 19 über die Frequenz und Phase der Rotationsbewegung
der Probe 10. Abhängig von den Signalen 19 erzeugt ein Kompen
sationsgenerator 18 die Amplitudenmodulationssignale 44 und
die Phasenmodulationssignale 43, welche jeweils dem Amplituden
modulator 13 und einem Phasenmodulator 14 zugeführt werden.
Der Phasenmodulator 14 moduliert mit Hilfe des empfangenen
Phasenmodulationssignales 43 die Phase des Kernsignales im
Empfänger 9, bevor dieses der Quadraturdetektion zugeführt
wird. Ferner empfängt der Phasenmodulator 14 ein Signal 3 von
einem Lokaloszillator innerhalb der Frequenzaufbereitungs
einrichtung 17. Der Kompensationsgenerator 18 führt außerdem
das Signal 45, das die Phasenlage des Rotationssignals ωm
angibt, zu einem Rechner 16, der vom Empfänger 9 das aufgrund
der Quadraturdetektion in Real- und Imaginärteil aufgespaltene
Kernsignal empfängt. Schließlich liefert der Rechner 16 ein
Triggersignal für den HF-Sendeimpuls an die
Frequenzaufbereitungseinrichtung 17.
Der Kompensationsgenerator 18 hat bevorzugt die in Fig. 8
dargestellte Anordnung. Er erhält von außen weitere Signale
zur Kompensationseinstellung.
Selbstverständlich ist die in Fig. 7 dargestellte Lage des
Amplitudenmodulators 13 und des Phasenmodulators 14 nicht zwin
gend. Diese Modulatoren können praktisch an beliebigen geeig
neten Stellen im Empfangsweg eingebaut werden. Insbesondere
können diese Modulatoren auch direkt am Empfangsschwingkreis
angebracht werden. Beispielsweise kann der Phasenmodulator mit
Hilfe einer Kapazitätsdiode realisiert werden, die den Schwing
kreis periodisch verstimmt und dadurch eine Phasenmodulation
erzeugt. Der Amplitudenmodulator kann mittels einer Diode rea
lisiert werden, deren Arbeitspunkt periodisch verändert wird,
wodurch eine periodische Dämpfung des Schwingkreises bewirkt
wird. Außerdem läßt sich der Phasenmodulator sowohl in einen
beliebigen Lokal-Oszillatorweg, wie auch in den Empfangspfad,
z. B. unmittelbar nach dem Amplitudenmodulator 13, einbauen.
Man kann aber auch die Phasen- und Amplitudenmodulation direkt
am Empfangsschwingkreis erzeugen, indem dessen Resonanzfrequenz
bzw. dessen Dämpfung moduliert wird. Dieses letztere Verfahren
hat den Vorteil, daß die Rotationsseitenbänder unmittelbar
nach ihrer Entstehung kompensiert werden, was zu einer zeitlich
stabileren Kompensation führen kann. Zudem läßt sich bei diesem
Verfahren, allerdings nur im Falle der Q-Modulation, der Kompen
sationsabgleich ohne Kernsignal ausführen, indem eine
Reflexions-Meßbrücke über das Probenkopfnetzwerk an den
Empfangsschwingkreis angeschlossen wird. Bei abgeglichener
Brücke ist die Messung äußerst empfindlich für kleinste Schwan
kungen der komplexen Impedanz des Schwingkreises, und damit
auch auf die Q-Modulation, so daß letztere leicht auf Null
kompensiert werden kann. Man beachte auch, daß das Ergebnis
jedes Kompensationsschrittes sofort zur Verfügung steht und
nicht noch rechnerisch transformiert werden muß.
Für die Modulation der Resonanzfrequenz des Empfangsschwing
kreises kann z. B. eine Kapazitätsdiode, ein piezokeramisches
Plättchen mit beidseitig aufgedampften und kapazitiv wirkenden
Metallschichten, oder ein mechanisch angetriebenes Kondensator
plättchen, bei dem die Antriebsfrequenz aus der Probenrotation
abgeleitet wird, verwendet werden. Es wäre auch denkbar, die
Resonanzfrequenz des Empfangsschwingkreises induktiv zu modu
lieren, indem eine kurzgeschlossene Leiterschleife, die auf
einem piezokeramischen Plättchen montiert ist, in der Nähe der
Schwingkreisinduktivität montiert wird. Für die Modulation der
Dämpfung des Empfangsschwingkreises kann z. B. eine Diode oder
ein Feldeffekttransistor verwendet werden, die durch eine Ver
änderung ihrer Arbeitspunkte als variable Widerstände wirken
können.
Statt der bislang beschriebenen und bevorzugten Erzeugungen
der Modulationssignale lassen sich die Funktionen des
Amplituden- und Phasenmodulators auch zur Aufbereitung des
Spektrums verwenden, indem das komplexe, im Rechner 16 gespei
cherte Zeitsignal mit einem komplexen Faktor
multipliziert wird. Dabei bedeuten A(t) die Amplitudenmodu
lationsfunktion und Φ(t) die Phasenmodulationsfunktion. Jedoch
benötigt auch diese Kompensation die kontinuierliche Information
der Rotationsfrequenz und der Phase der Rotationsbewegung der
Probe. Diese Größen müssen also notwendigerweise bei der Messung
des jeweiligen Kernresonanzspektrums mit gemessen und gespeichert
werden.
Dieses rechnerische Verfahren hat den Vorteil, daß der
Kompensationsvorgang an Hand eines einzigen im Rechner
gespeicherten Kernsignals durchgeführt werden kann. Es ist
also nicht nötig, nach jedem Kompensationsschritt das Spinsystem
neu anzuregen, dann abzuwarten, bis das Kernsignal abgeklungen
ist, um dann erst das ganze Signal zur Verfügung zu haben.
Außerdem ist es möglich, Kernsignale aus mehreren Anregungen
aufzusummieren, dadurch ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis
zu erhalten, und an dem so gespeicherten und rauscharmen Signal
das rechnerische Kompensationsverfahren viel genauer anzuwenden.
Wenn zudem der Rechner die Fouriertransformation sehr schnell
ausführen kann, dann sieht man praktisch zeitgleich die durch
den Abgleichvorgang hervorgerufenen Veränderungen im Frequenz
spektrum, und dies bedeutet eine große Vereinfachung.
Claims (12)
1. Verfahren zur Kompensation von mindestens einer Art von
Seitenbändern (H0-, H1-, Q-Modulations-Seitenbänder), die
durch Rotation der Probe eines magnetischen Kernresonanz
spektrometers hervorgerufen werden,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- - Erfassen der Rotationsfrequenz (ωm) und Phase der Probenrotation;
- - Modulation der Amplitude und Phase des detektierten Kernsignals, wobei die Modulationssignale abhängig von aus dem Kernresonanz-Frequenzspektrum erfaßten Phasenlagen und Intensitäten der jeweils auftretenden Rotationsseitenbänder aus mehreren Komponenten zusammengesetzt erzeugt werden, wobei
- - im Falle der Q-Modulationskompensation die Modulationssignale phasenstarr mit der Probenrotation synchronisiert sind, und
- - im Falle der H₀- und H₁-Seitenbandkompensation die Frequenzen der Modulationskomponenten gleich der Rotationsfrequenz (ωm) der Probe und ganzzahlige Vielfache davon sind, die Phasen dieser Komponenten je in einem festen Verhältnis zur Phase der Probenrotation stehen und der Start des Senderpulses oder der Pulssequenz zur Anregung des Kernsignals phasensynchron mit dem Modulationssignal ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
für den Modulationsschritt die Amplitude und die Phase
der einzelnen Frequenzkomponenten getrennt eingestellt,
die so eingestellten Frequenzkomponenten addiert und der
Amplituden- und Phasenmodulation zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
für den Modulationsschritt vorab mehrere Kosinus- und
Sinussignale mit Frequenzen (ωm, 2ωm, 3ωm) gleich
einem ganzzahligen Vielfachen der Rotationsfrequenz (ωm)
der Probe erzeugt, deren Amplituden auf die jeweiligen
zur Kompensation erforderlichen Amplituden eingestellt
und die so erzeugten Kosinus- und Sinussignale addiert
und der Amplituden- und Phasenmodulation zugeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulationssignale in einem digitalen Frequenzge
nerator durch Vorgabe der entsprechenden Koeffizienten
erzeugt werden.
5. Verfahren zur Kompensation von durch Q-Modulation hervorgerufenen
Seitenbändern, die in einem gepulsten Kernresonanzspektrometer
durch eine nicht-ideale Rotationsbewegung
der Probe hervorgerufen werden, gekennzeichnet
durch folgende Schritte:
- - Erfassen der Rotationsfrequenz (ωm) und der Phase der Probenrotation;
- - Erfassen der Anzahl (N) und der zu kompensierenden Frequenzen (ωm, 2ωm, 3ωm . . .) der unerwünschten Seitenbandkomponenten; und
- - Summieren mehrerer jeweils um bestimmte Phasenwinkel (ΔΦ) gegeneinander phasenverschobener, aus mehreren Pulsanregungen stammender Kernsignale, wobei zur Eliminierung von N Seitenbandkomponenten die Summe von 2N Kernsignalen mit jeweiligen Phasenverschie bungen von (n=0, 1, 2, 3, . . ., 2N-1)erforderlich ist.
6. Verwendung eines oder mehrerer der vorangehenden Verfahren
für eine Aufbereitung von Kernresonanzspektren nach deren
Erzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rechner die
Amplituden- und Phasenmodulation durch Multiplikation des
dem Spektrum entsprechenden komplexen Zeitsignals mit
einem komplexen Faktor durchgeführt wird,
wobei A (t) die Zeitfunktion der Amplitudenmodulation und
Φ(t) die Zeitfunktion der Phasenmodulation ist.
7. Vorrichtung zur Kompensation von mindestens einer Art von
Seitenbändern (H0-, H1-, Q-Modulations-Seitenbänder), die
durch Rotation der Probe eines magnetischen
Kernresonanzspektrometers hervorgerufen werden, mit
- - einer Sende- und Empfangsspule (6), die im Gleich- Magnetfeld (B0), die rotierende Probe (10) umgreifend angeordnet ist, von einem Probenkopf (7) ein Hochfre quenzsignal empfängt und dieses auf die Probe ein strahlt sowie das daraufhin von der Probe emittierte Kernsignal empfängt und zum Probenkopf überträgt; und
- - einer Signalerzeugungs- und -Auswerteeinrichtung (5, 8, 9, 16, 17), die das dem Probenkopf (7) zuzuführende Hochfrequenzsignal erzeugt und aus dem vom Probenkopf (7) empfangenen Kernsignal das Spektrum erzeugt,
gekennzeichnet durch,
- - eine Detektoranordnung (12) zur Erfassung von Frequenz (ωm) und Phase der Rotationsbewegung der Probe (10),
- - einen Kompensationsgenerator (18), der Signale von der Detektoranordnung (12) entsprechend der erfaßten Frequenz (ωm) und Phase der Rotationsbewegung der Probe (10) empfängt und in Abhängigkeit von diesen Signalen ein Amplituden- und Phasenmodulationssignal zur Modulation der Amplitude und Phase des von der Probe (10) abgegebenen und vom Probenkopf detektierten Kernsignals erzeugt, wobei der Kompensationsgenerator (18) Phasen- und Amplitudenstellmittel (21, 31; 22, 32; 23, 33) aufweist, die die Modulationssignale abhängig von Stellsignalen, die entsprechend aus dem Kernresonanz-Frequenzspektrum erfaßten Phasenlagen und Intensitäten der jeweils auftretenden Rotationsseitenbänder zugeführt werden, aus mehreren Komponenten zusammengesetzt erzeugen,
- - einen Amplitudenmodulator (13), der das erfaßte Kern signal mit dem vom Kompensationsgenerator (18) erzeug ten Modulationssignal amplitudenmoduliert,
- - einen Phasenmodulator (14), der das erfaßte Kernsignal mit dem vom Kompensationsgenerator (18) erzeugten Modulationssignal phasenmoduliert, wobei
- - im Falle der Q-Modulationskompensation die Modula tionssignale phasenstarr mit der Probenrotation synchronisiert sind, und
- - im Falle der H0- und H1-Seitenbandkompensation die Frequenzen der Modulationskomponenten gleich der Rotationsfrequenz (ωm) der Probe und ganzzahlige Vielfache davon sind, die Phasen dieser Komponenten je in einem festen Verhältnis zur Phase der Proben rotation stehen und der Start des Senderpulses oder der Pulssequenz zur Anregung des Kernsignals phasen synchron mit dem Modulationssignal ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kompensationsgenerator (18) als die Phasen- und Amplitudeneinstellmittel
aufweist:
- - jeweils für jedes zu kompensierende Seitenbandpaar zwei kontinuierlich und getrennt einstellbare Phasen schieber und
- - zwei getrennt einstellbare Dämpfungsglieder, jeweils zur getrennten Einstellung von Phase und Amplitude der dem Phasen- und Amplitudenmodulator zuzuführenden Signale.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kompensationsgenerator (18) als die Phasen- und Amplitudeneinstellmittel
aufweist:
- - für jedes zu kompensierende Seitenbandpaar jeweils einen Oszillatormodul (21, 31; 22, 32; 23, 33) zur Erzeugung von Kosinus- und Sinussignalen mit Frequenzen gleich einem ganzzahligen Vielfachen einschließlich der einfachen Rotationsfrequenz (ωm) der Probe, wobei jeder Oszillatormodul kontinuierlich einstellbare Dämpfungsglieder (34 1 34 2, 34 3, 34 4) zur Einstellung der erforderlichen Amplitude jedes Sinus- und Kosinussignales, einen festen 90°-Phasenschieber (35), der aus den Sinussignalen die Kosinussignale ableitet und für jedes Dämpfungsglied einen Polaritätsumschalter (36, 37) aufweist, und
- - Additionsglieder (40, 42) zur Addition jeweils der von den Polaritätsumschaltern abgegebenen Sinus- und Kosinussignale, wobei die Ausgangssignale der Addi tionsglieder jeweils dem Amplituden- und Phasenmodu lator zugeführt werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kompensationsgenerator (18) als digitaler Frequenzge
nerator ausgeführt ist, der die Modulationssignale durch
Vorgabe der entsprechenden Koeffizienten erzeugt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Phasen- und Amplitudenmodulation
direkt am Empfangs-Schwingkreis erfolgt, indem dessen
Resonanzfrequenz z. B. mit Hilfe einer Kapazitätsdiode
und/oder dessen Dämpfung z. B. mit Hilfe einer Diode moduliert
wird.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904015056 DE4015056A1 (de) | 1990-05-10 | 1990-05-10 | Verfahren und vorrichtung zur kompensation von unerwuenschten seitenbaendern bei magnetischen kernresonanzspektren |
EP91106643A EP0457069B1 (de) | 1990-05-10 | 1991-04-25 | Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation von unerwünschten Seitenbändern bei magnetischen Kernresonanzspektren |
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DE19904015056 Granted DE4015056A1 (de) | 1990-05-10 | 1990-05-10 | Verfahren und vorrichtung zur kompensation von unerwuenschten seitenbaendern bei magnetischen kernresonanzspektren |
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-
1990
- 1990-05-10 DE DE19904015056 patent/DE4015056A1/de active Granted
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Publication number | Publication date |
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DE4015056A1 (de) | 1991-11-28 |
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